No description available.

Tesis por compendio / [ES] La Unión Europea plantea una serie de retos en el GREEN DEAL para conseguir un escenario donde sus miembros sean climáticamente neutros en 2050. Para ello se plantean unas acciones entre las que destaca la descarbonización del sector de la energía. Por otra parte, se ha puesto como objetivo conseguir una capacidad de energía eólica de 1200 GW en 2050, desde los 190 GW que se tenía en 2019. El cierre de centrales eléctricas basadas en grandes generadores síncronos junto con el aumento en la construcción de centrales eléctricas con fuentes basadas en electrónica de potencia como parques eólicos o plantas fotovoltaicas, hace necesario la incorporación de controladores grid forming en energías renovables basadas en electrónica de potencia. La integración de estrategias de control grid forming en turbinas eólicas debe considerar las funciones de reparto de potencia activa y reactiva (control droop en generadores síncronos), así como un sistema de protección ante faltas que permita una recuperación rápida cuando se despeja la falta. Por otra parte, en la transición de los actuales parques eólicos grid following que funcionan como fuentes de corriente a parques eólicos grid forming que funcionan como fuentes de tensión se debe considerar que ambas tecnologías van a coexistir conjuntamente por mucho tiempo. Por tanto, se hace necesario el estudio de estabilidad de parques eólicos con ambas tecnologías, así como el estudio de cuanta generación grid forming es necesaria para mantener el parque eólico estable en cualquier situación. Además, el uso de parques eólicos grid foming permite diferentes aplicaciones como la energización de redes eléctricas después de un apagón desde estos parques eólicos, o el uso de diodos rectificadores en enlaces HVDC para la conexión de parques eólicos marinos. Para facilitar el estudio y diseño de aerogeneradores grid forming, en la presente tesis se propone una técnica de agregación de aerogeneradores tipo-4. Esta técnica permite reducir la complejidad del parque eólico para su estudio y análisis. Esta tesis incluye las siguientes contribuciones: Para el funcionamiento de aerogeneradores grid forming en paralelo con aerogeneradores grid following se propone un método de diseño analizando la estabilidad del sistema completo. Además, se propone una estrategia de control ante faltas para asegurar una recuperación rápida y segura. Se propone el uso de técnicas de control H∞ para la sintonización de controladores grid forming. El uso de estas técnicas para el diseño de controladores puede mejorar la robustez de los controladores, así como el rendimiento de estos. Considerando la aplicación de la energización de redes HVAC desde parques eólicos, se ha propuesto como llevar a cabo dicha maniobra a partir de parque con aerogeneradores grid forming y grid following. Los resultados obtenidos validan el funcionamiento de la operación. Además, muestran que la cantidad de generación grid forming está relacionada con la dimensión de cargas que tienen que aguantar dichas turbinas más que con la estabilidad del sistema con un porcentaje bajo de generación grid forming. Finalmente, se han propuesto estrategias de protección para la integración de parque eólicos en redes malladas HVDC utilizando rectificadores de diodos. Los parques eólicos grid forming pueden ayudar a gestionar faltas disminuyendo los requisitos en las protecciones necesarias en el enlace HVDC. Esto permite una reducción del coste de la instalación, además de aumentar la robustez del sistema. / [CA] La Unió Europea planteja uns reptes al GREEN DEAL per a aconseguir un escenario on els seus membres siguen climàticament neutrals al 2050. Per a aconseguir aquest objectiu es plantegen unes accions entre les quals destaca la de descarbonitzar el sector energètic. D'altra banda, s'ha posat com a objectiu aconseguir una capacitat d'energia eòlica de 1200 GW al 2050, des dels 190 GW que es tenia al 2019. El tancament de centrals elèctriques basades en grans generadors síncrons juntament amb l'augment en la construcció de centrals elèctriques basades en electrónica de potència com a parcs eòlics o plantes fotovoltaiques, fa necessari la incorporació de controladors grid forming en energies renovables que es basan en electrònica de potència. La integració d'estratègies de control grid forming per a turbines eòliques ha de considerar les funcions de repartiment de potència activa i reactiva, així com un sistema de protecció davant faltes que permeta una recuperació ràpida quan s'aïlla la falta. D'altra banda, en la transició dels actuals parcs eòlics grid following que funcionen com a fonts de corrent a parcs eòlics grid forming que funcionen com a fonts de tensió, s'ha de considerar que totes dues tecnologies coexistiran conjuntament per molt de temps. Per tant, es fa necessari l'estudi d'estabilitat d'un parc eòlic amb totes dues tecnologies, així com l'estudi del percentatge de generació grid forming necessari per a mantindre el parc eòlic estable en qualsevol situació. A més, l'ús de parcs eòlics grid foming permet diferents aplicacions com l'energització de xarxes elèctriques després d'una apagada des d'aquests parcs eòlics, o l'ús de díodes rectificadors en enllaços HVDC per a la connexió de parcs eòlics marins. Per a facilitar l'estudi i disseny d'aerogeneradors grid forming, en la present tesi es proposa una tècnica d'agregació d'aerogeneradors tipus-4. Aquesta técnica permet reduir la complexitat del parc eòlic per al seu estudi i anàlisi. La present tesi inclou les següents contribucions: Per al funcionament d'aerogeneradors grid forming en paral¿lel amb aerogeneradors grid following es proposa un mètode de disseny analitzant l'estabilitat del sistema complet. A més, es proposa una estratègia de control davant faltes per a assegurar una recuperació ràpida i segura. Es proposa l'ús de tècniques de control H∞ per a la sintonització de controladors grid forming. L'ús d'aquestes tècniques per al disseny de controladors pot millorar la robustesa dels controladors, a mé del rendiment d'aquestos. Considerant l'aplicació de l'energització de xarxes HVAC des de parcs eòlics, s'ha proposat com dur a terme aquesta maniobra a partir d'un parc eòlic amb aerogeneradors grid forming i grid following. Els resultats obtinguts validen el funcionament de l'operació. A més, mostren que la quantitat de generació grid forming està més relacionada amb la dimensió de les càrregues que ha d'aguantar el parc eòlic, que amb l'estabilitat del sistema que permet un menr percentatge de generació grid forming. Finalment, s'han proposat estratègies de protecció per a la integració de parcs eòlics marins en xarxes multi-punt HVDC utilitzant rectificadors de díodes. Els parcs eòlics grid forming poden ajudar a gestionar faltes disminuint els requisits de les proteccions necessàries en l'enllaç HVDC. Això permet una reducció del cost de la instal¿lació, a més d'augmentar la robustesa del sistema. / [EN] The European Union GREEN DEAL aims to make its 27 members climate-neutral by 2050. The decarbonization of the energy sector stands out as one of the proposed actions. To achieve that goal, the target for wind power generation is set at 1,200 GW in 2050, from the 190 GW that was had in 2019. The closure of power plants based on large synchronous generators and the increase of power electronics based generation such as Wind Power Plants (WPPs) or photovoltaic plants, leads to the use of grid forming controllers for power electronics based renewable energy. Grid forming control strategies for wind turbines generators (WTGs) must consider active and reactive power sharing control (droop control in synchronous generators) as well as a protection system that allows a quick recovery after fault clearance. Moreover, a transition from the conventional grid following WPPs to new grid forming WPPs is required. The transition must consider the parallel operation of both technologies for a long time. Thus, it is necessary to study the stability of Wind Power Plants with both technologies, as well as the study of how much grid forming generation is required to keep a mixed grid forming and grid following WPP stable in any situation. In addition, the use of grid forming WPPs allows different applications such as the energization of HVAC and HVDC grids after a blackout from these WPPs, or the use of diode rectifiers in HVDC links for the off-shore WPPs connection. An aggregation technique for type-4 WTGs has been proposed in this thesis in order to facilitate the study and design of grid forming WPPs. The aggregation technique allows to reduce the WPP complexity for its study and analysis. The main contributions of this theses are: A design methodology has been proposed for the parallel operation of grid forming and grid following WTGs. Including the stability analysis of the complete system. Additionally, a fault control strategy is proposed to ensure a fast and safe recovery. The use of H∞ control techniques is also proposed for grid forming controller tuning. Using H∞ control techniques for controller design may improve the robustness of the controllers as well as the performance of the controllers. A procedure to carry out black start operation of HVAC grid from mixed grid forming and grid following WPPs has been proposed. The obtained results validate that the procedure works as expected. Moreover, the results show that the amount of grid-forming generation usually is determined by the load size steps as stability limits are usually less stringent. Finally, protection strategies have been proposed for the integration of off-shore WWPs in multi-terminal HVDC grids using diode rectifiers. Grid forming WPPs are able to help managing faults. Their use allow lower requirements of the HVDC protection equipment, leading to overall cost reduction and an increment of the system robustness. / Martínez Turégano, J. (2022). Grid Forming Wind Power Plants: Black start operation for HVAC grids and Diode Rectifier-based Wind Power Plant integration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181529 / Compendio

<p dir="ltr"><a href="" target="_blank">The electrification of the transportation sector is pivotal in reducing greenhouse gas emissions and decreasing dependence on fossil fuels. Central to this transition are battery electric vehicles (BEVs) and other clean energy technologies, which rely heavily on critical materials (CMs) such as cobalt, lithium, neodymium, and nickel. </a>These materials are essential for the performance of batteries, advanced electronics, and other components in BEVs. <a href="" target="_blank">However, the limited availability of these CMs poses potential constraints on the widespread adoption of such technologies.</a></p><p dir="ltr">This research delves into the implications of widespread BEV adoption on the demand for CMs in the United States, with a focus on both light-duty vehicles (LDVs) and medium- and heavy-duty vehicles (MHDVs). Various market penetration scenarios were analyzed, revealing that while MHDVs require more CMs per vehicle, the sheer volume of LDV sales drives the overall CM demand, particularly in a scenario with 100% BEV adoption. Key findings highlight that cobalt, graphite, lithium, neodymium, and nickel are critical for BEVs, whereas palladium and rhodium are more crucial for internal combustion engine vehicles (ICEVs). Also explored is the impact of lightweighting on LDVs, revealing that while substituting steel with aluminum increases the total CM quantity per vehicle, it reduces the vehicle's mass, operational energy consumption, and the demand for high-concern battery-related CMs. Additionally, changing the battery cathode chemistry from NMC622 to LFP significantly reduces CM use but increases the demand for strategic materials like copper and phosphorus due to the lower energy density of LFP-based batteries.</p><p dir="ltr">The research also highlights the importance of rare earth permanent magnets (REPMs), <a href="" target="_blank">particularly Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) magnets, in clean energy technologies such as electric vehicles and wind turbines.</a> Neodymium, a critical material, faces supply chain risks. To lessen these risks, circular economy strategies have been proposed, including the recovery of needed materials from end-of-life (EoL) products. <a href="" target="_blank">A dynamic material flow analysis (MFA) model was developed to forecast such EoL flows for products containing REPMs and assess the recoverable neodymium from these EoL products. </a>The results indicate that even a modest recycling efficiency of 15% could meet 12% of the Nd demand for EVs by 2050, with reuse meeting up to 70% of the demand.</p><p dir="ltr">With the dynamic MFA model showing that circular economy principles could meet up to 70% of future neodymium demand in 2050, the next step was to investigate the techno-economic feasibility of recycling REPMs. A techno-economic assessment model was developed for establishing a magnet-to-magnet recycling facility for REPMs. Results revealed a net present value (NPV) of $8,867,111 over 20 years, a payback period of 3 years, and an internal rate of return (IRR) of 53%, providing a compelling case for investment in recycling infrastructure. Sensitivity analyses point to the selling price of recycled magnets, feedstock purchase price, facility throughput, and labor costs as the most influential factors on profitability.</p><p dir="ltr"><a href="" target="_blank">Additionally, this research explored the challenges and opportunities in the disassembly and recycling of EoL EV components, particularly traction motors containing REPMs. The complexity of disassembly, driven by varying component sizes and designs, is identified as a significant barrier. By evaluating manual disassembly times and proposing potential automation solutions, the study aims to streamline the disassembly process, thus facilitating more efficient recycling and remanufacturing operations.</a></p><p dir="ltr">The key contributions of this research are summarized as follows:</p><p dir="ltr">· Evaluated the vehicle CM demand of ICEVs and BEVs for LDVs and MHDVs and explored the impact of lightweighting and changing the battery cathode chemistry from NMC622 to LFP on CM demands.</p><p dir="ltr">· Developed a dynamic material flow analysis (MFA) model to forecast end-of-life (EoL) flows of products containing REPMs and assess the recoverable neodymium from these EoL products.</p><p dir="ltr">· Developed a techno-economic assessment (TEA) model to evaluate the viability of a magnet-to-magnet recycling facility.</p><p dir="ltr">· Performed disassembly analysis to assess the ease with which EoL BEV transmissions can be disassembled with a specific focus on the retrieval of traction motors (which house the REPMs) for potential reuse or remanufacturing.</p>

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.